JP6080345B2 - スイッチング電源、およびスイッチング電源におけるac波形生成方法 - Google Patents
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Description
図1に示すスイッチング電源1は、交流電力の供給を受けて負荷回路3に直流電力を供給する。負荷回路3は、例えば各種電子機器、電力機器などであり、これら電子機器などがDC/DCコンバータ回路などを含む場合もある。スイッチング電源1は、入力部11、力率改善部2、平滑コンデンサC1、スイッチング制御部5、入力電流検出部7、出力電圧検出部8、および入力電圧検出部9を有している。
次に図1、図2(a)および(b)に基づき力率改善部2の動作の概要について説明する。図2は、力率改善部2および後述するAC波形生成部24などにおける電圧波形を示す波形図であり、横軸が時間軸で、縦軸が電圧軸である。図2(a)は、交流電圧Vacの波形(サイン波)を示す。交流電圧Vacの正の半周期は、時刻T0からT1、時刻T2からT3などであり、負の半周期は、時刻T1からT2、時刻T3からT4などである。
各スイッチ素子の駆動パルスおよび正極検出電圧VSLなどの波形(図2(a)〜(e))について説明する。交流電圧Vacの正の半周期では、接地GNDに対する負極検出電圧VSNは略ゼロボルトである(図2(d))。負の半周期では、負極検出電圧VSNは出力電圧Vdoに対応した直流オフセットVSNOとなる(図2(d))。なお図2(d)に示す矩形波のエンベロープは、昇圧コンバータのスイッチングノイズ成分が重畳し波形に振幅方向の幅を持っている(後述する正極検出電圧VSLも同様である。)。
AC波形生成部24は、デジタル信号に変換された正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNに所定の演算処理を施して、交流電圧Vacと周波数および位相が同期したAC波形VSacを生成する。このAC波形VSacの生成は、例えば、以下の演算処理によって行われる(演算式では、単に各電圧の符号のみを示す。また各電圧は瞬時値である。)。
ここでa=1、b=1とすれば、
VSac=VSL−VSN・・・(式2)となって、交流電圧Vacに対応したAC波形VSac(図2(e))を生成することができる。ここでAC波形VSacが交流電圧Vacに対応することは、正極入力端21aと負極入力端21bとの間に交流電圧Vacが加えられることから明らかである。
AC極性判定部25は、交流電圧Vacの正の半周期と負の半周期を判定する(判定方法については、AC波形生成方法において説明する。)。AC極性判定部25は、判定結果を、PFC用PWM出力制御部28へと出力する。スイッチング制御部5は、AC極性判定部25の判定結果に基づいて、正の半周期における昇圧コンバータ、および負の半周期における昇圧コンバータの動作を制御することで、出力電圧Vdoを所定の電圧に維持する。
次に、本発明にかかるスイッチング電源におけるAC波形生成方法の一実施例(実施例1)について説明する(図4参照)。スイッチング制御部5は、マイクロコンピュータなどの演算装置で構成されるスイッチ素子制御回路10を有しており、所定のステップを実行することで(プログラム制御によって)、AC波形VSacを生成する。スイッチング制御部5は、交流電圧Vacの周波数よりも、十分短い周期の制御基準周期(クロック)に基づいて、第1AD変換部22などを制御し、また各ステップを実行する。
スイッチング電源1の起動時には、正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNが取得されておらず、交流電圧Vacの極性(正の半周期なのか負の半周期なのか)も未だ特定されていない。そこでスイッチング制御部5は、PFC用PWM出力制御部28の制御条件を定めるため、AC極性判定を仮に設定(初期設定)する。以下、正の半周期に初期設定した例で説明する(負の半周期に初期設定してもよい。)。
ステップS101ののち、スイッチング制御部5は、入力部11における正極検出電圧VSLと負極検出電圧VSNとを検出し(入力部電圧取得)、第1AD変換部22および第2AD変換部23において変換されたデジタルデータの取得が完了しているかを確認する(ステップS102)。スイッチング制御部5は、デジタルデータの取得が完了していない場合(No)には、デジタルデータ取得を継続し、取得が完了した場合(Yes)には、ステップS103へと進む。なおステップS102は入力部電圧取得ステップである。
スイッチング制御部5は、デジタルデータとして取得した正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNを記憶手段(図示せず)に保存したのち、ステップS104へと進む。なお起動直後のステップS103で保存される正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNは、初期設定に基づいて取得したデータである。
スイッチング制御部5は、制御基準周期ごとにステップS103で保存した正極検出電圧VSLと負極検出電圧VSNとの大小関係を判定する。ここで正極検出電圧VSLが負極検出電圧VSNより大きい場合(Yes)には、スイッチング制御部5は、ステップS105へと進み、正極検出電圧VSLが負極検出電圧VSNより大きくない場合(No)には、ステップS110へと進む。判定結果がYesの場合には、交流電圧Vacが正の半周期であり、Noの場合には、交流電圧Vacが負の半周期である(図2(c)および(d)参照)。
スイッチング制御部5は、交流電圧Vacが正の半周期であることを確定し、これを記憶手段(図示せず)へ保存したのち、ステップS106へと進む。
スイッチング制御部5は、交流電圧Vacが負の半周期であることを確定し、これを記憶手段(図示せず)へ保存したのち、ステップS111へと進む。
スイッチング制御部5は、デジタルデータとして記憶手段(図示せず)に保存した正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNから、制御基準周期ごとに、AC波形VSacの正の半周期電圧VSac1(第1電圧波形)を演算し(式106)、これを記憶手段(図示せず)に保存したのち、ステップS107へと進む。
VSac1=a×VSL−b×VSN・・・(式106)
ここでa=1、b=1であれば(式106)は前述(式1)から、
VSac1=VSL−VSN・・・(式106’)となる。
スイッチング制御部5は、ステップS106と同様に、AC波形VSacの負の半周期電圧VSac2(第2電圧波形)を演算し(式111)、これを記憶手段(図示せず)に保存したのち、ステップS107へと進む。
VSac2=a×VSL−b×VSN・・・(式111)
ここでa=1、b=1であれば(式111)は前述(式1)から、
VSac2=VSL−VSN・・・(式111’)となる。
ステップS106で保存した正の半周期電圧VSac1と、ステップS111とで保存した負の半周期電圧VSacとが、半周期ごとにAC波形生成部24に入力され、正負の半周期からなる1周期の交流信号が生成される。さらに移動平均処理などによって正の半周期電圧VSac1および負の半周期電圧VSac2に含まれていたノイズ成分が除去される(AC波形Vascが生成される。)。
AC波形生成部24は、ステップS107で波形整形されて生成されたAC波形VascをPFC用PWM制御部28へ入力する波形として確定したのち、ステップS109へと進む。なおステップS108はAC波形確定ステップである。
AC波形Vascが確定したのち、スイッチング制御部5は、AC波形Vasc生成に用いるためにデジタルデータとして保存した正の半周期電圧VSac1と負の半周期電圧VSac2のうち、以降のAC波形Vascに不要となるデジタルデータを消去して、ステップS102へと戻る(例えば、正の半周期と確定されてステップS106〜ステップS108の処理が行われたときには、直後の負の半周期の処理のために、直前の負の半周期のデジタルデータが消去される。)。
図5は、スイッチング電源1の変形例(変形例1)における要部回路構成図である。実施例1と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して、それらの説明を省略する。
図5に示すスイッチング電源1aの力率改善部2aは、第1スイッチ素子Q1、第3スイッチ素子Q3、第2ダイオードD2、第4ダイオードD4および第1リアクトルL1を有している。
図6(b)のG1は第1スイッチ素子Q1を駆動する駆動パルスであり、G3は、第3スイッチ素子Q3を駆動する駆動パルスである。第1スイッチ素子Q1および第3スイッチ素子Q3は、正負いずれの半周期でも、一方が導通している時は、他方が遮断する。
各スイッチ素子の駆動パルスおよび正極検出電圧VSLなどの波形を図6(a)〜(e)に基づいて説明する。なお図6(a)〜(e)は、図2(a)〜(e)の各波形と対応した測定点における波形である。
AC波形生成部24は、正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNから、スイッチング電源1と同様に、図4に示すAC波形生成方法に基づいてAC波形VSacを生成することができる(図6(e))。
図7は、スイッチング電源1の変形例(変形例2)における要部回路構成図である。実施例1と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して、それらの説明を省略する。
図7に示すスイッチング電源1bの力率改善部2bは、各スイッチ素子、各ダイオードおよび第1リアクトルL1の接続において力率改善部2と共通する。しかし力率改善部2bは、負極入力端21bが第2リアクトルL2を介して、第2スイッチ素子Q2と第4ダイオードD4との接続点に接続されている点において力率改善部2と相違する。
駆動パルスG1および駆動パルスG2の波形(図8(b))は、力率改善部2と同様である(図2(b))。正の半周期では、第1スイッチ素子Q1と第1リアクトルL1が昇圧コンバータとなり、第1リアクトルL1に蓄えられた磁気エネルギーが電流となって第3ダイオードD3を経由して負荷回路3に供給される。第2リアクトルL2に流れる電流は、第1スイッチ素子Q1が導通時には、第1スイッチ素子Q1から接地GNDを経て第2スイッチ素子Q2に流れた電流であり、第1スイッチ素子Q1が遮断時には、負荷回路3から接地GNDを経て第2スイッチ素子Q2に流れた電流である。いずれの場合でも、第2リアクトルL2に流れる電流は、力率改善部2bから交流電圧VacのN極に向けて流れる電流である。
負極検出電圧VSNは、正の半周期では(若干の交流成分が残留しているものの)略直流オフセットVSNOであり、負の半周期では交流電圧源Vacに対応した電圧波形となる(図8(d))。正極検出電圧VSLの電圧波形は負極検出電圧VSNに交流電圧Vacを加えた電圧であり、正の半周期では交流電圧Vacに対応した電圧波形となり、負の半周期では(若干の交流成分が残留しているものの)略直流オフセットVSLOとなる(図8(c))。
AC波形生成部24は、正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNから、スイッチング電源1と同様に、図4に示すAC波形生成方法に基づいてAC波形VSacを生成することができる(図8(e))。
図9は、スイッチング電源1の変形例(変形例3)における要部回路構成図である。実施例1と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して、それらの説明を省略する。
図9に示すスイッチング電源1cが有する力率改善部2cは、第1スイッチ素子Q1、第2ダイオードD2、第3ダイオードD3、第4スイッチ素子Q4、第5ダイオードD5、第6ダイオードD6、第1リアクトルL1および第3リアクトルL3を有しており、第1スイッチ素子Q1、第3ダイオードD3および第1リアクトルL1の接続において力率改善部2と共通する。
正の半周期では、第1スイッチ素子Q1が昇圧コンバータの主スイッチ素子となり、第1リアクトルL1が昇圧リアクトルとなる。また第1スイッチ素子Q1および第1リアクトルL1は、力率改善部2と同様に機能する。ただし第1スイッチ素子Q1を流れた電流、および負荷回路3から戻った電流は、第5ダイオードD5を経由して交流電圧VacのN極に戻る。
各スイッチ素子の駆動パルスおよび負極検出電圧VSNなどの波形を図10(a)〜(e)に基づいて説明する。なお図10(a)〜(e)は、図2(a)〜(e)の各波形と対応した測定点における波形であり、説明を省略するものがある。
AC波形生成部24は、正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNから、スイッチング電源1と同様に、図4に示すAC波形生成方法に基づいてAC波形VSacを生成することができる(図10(e))。
図11は、スイッチング電源1の変形例(変形例4)における要部回路構成図である。実施例1と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して、それらの説明を省略する。
図11に示すスイッチング電源1dの力率改善部2dは、昇圧コンバータの構成がスイッチング電源1bと共通するが、第7ダイオードD7および第8ダイオードD8を有する点においてスイッチング電源1bと相違する。ここで、第7ダイオードD7は、負極出力端22bから負極入力端21bへと電流経路を形成するように接続され、第8ダイオードD8は、負極出力端22bから正極入力端21aへと電流経路を形成するように接続されている。
力率改善部2dの第1スイッチ素子Q1を駆動する駆動パルスG1、および第2スイッチ素子Q2を駆動する駆動パルスG2の波形(図12(b))は、力率改善部2cと同様である(図10(b)参照)。正の半周期においては、第1スイッチ素子Q1が昇圧コンバータの主スイッチ素子となり、また第1リアクトルL1が昇圧リアクトルとなる。ただし導通時の第1スイッチ素子Q1を流れた電流、および負荷回路3から戻った電流は、第7ダイオードD7を経て力率改善部2dの負極入力端21bに戻る。
スイッチング電源1bと同様に、負極検出電圧VSNは、正の半周期では(若干の交流成分が残留しているものの)略直流オフセットVSNOであり、負の半周期では交流電圧Vacに対応した電圧波形となる(図12(d)。正極検出電圧VSLの電圧波形は負極検出電圧VSNに交流電圧Vacを加えた電圧であり、正の半周期では交流電圧Vacに対応した電圧波形となり、負の半周期では(若干の交流成分が残留しているものの)略直流オフセットVSLOとなる(図12(c))。
AC波形生成部24は、正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNから、スイッチング電源1と同様に、図4に示すAC波形生成方法に基づいてAC波形VSacを生成することができる(図2(e))。
<変形例5>
図13に示すスイッチング電源1eは、力率改善部2eにおける昇圧コンバータの構成が他のスイッチング電源と相違しており、第1ダイオードD1、第2ダイオードD2、第3ダイオードD3、および第4ダイオードD4がブリッジ接続されている。詳細には第3ダイオードD3および第4ダイオードD4のカソードが正極出力端22aに接続され、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2のアソードが負極出力端22bに接続されている。また正極入力端21aは、第1リアクトルL1を介して第1ダイオードD1と第3ダイオードD3の接続点に接続され、負極入力端21bは、第2ダイオードD2と第4ダイオードD4の接続点に直接接続されている。
次に力率改善部2eの動作の概要について説明する。
各スイッチ素子の駆動パルスおよび正極検出電圧VSLなどの波形を図14(a)〜(e)に基づいて説明する。なお図14(a)〜(e)は、図2(a)〜(e)の各波形と対応した測定点における波形であり、説明を省略するものがある。
AC波形生成部24は、正極検出電圧VSLおよび負極検出電圧VSNから、スイッチング電源1と同様に、図4に示すAC波形生成方法に基づいてAC波形VSacを生成することができる(図12(e))。
VSac2=a×VSN−b×VSL・・・(式4―1)とする。
VSac2=−(VSL−VSN)=・・・(式4―2)となる。
2、2a〜2e 力率改善部
3 負荷回路(負荷)
5 スイッチング制御部
9 入力電圧検出部
11 入力部
11a 交流正極入力端
11b 交流負極入力端
G1、G2、G3、G4、G9、G10 駆動パルス
Q1、Q2、Q3,Q4、Q9、Q10 スイッチ素子
Vac 交流電圧
VSac AC波形
VSL 正極検出電圧
VSN 負極検出電圧
Claims (7)
- 交流電源に接続される入力部と、
該入力部に入力された交流電圧を整流し、負荷に直流出力を出力するとともに、力率の改善を行う力率改善部と、
前記入力部の正極電圧に対応した正極検出電圧、および前記入力部の負極電圧に対応した負極検出電圧を出力する入力電圧検出部と、
前記正極検出電圧および前記負極検出電圧に基づいて前記力率改善部の動作を制御するスイッチング制御部とを備え、
該スイッチング制御部が有するAC波形生成部は、前記入力電圧検出部が検出した前記正極検出電圧および前記負極検出電圧を減算処理して前記正極検出電圧および前記負極検出電圧が有する直流オフセット電圧を除去して、前記交流電圧と周波数および位相が同期したAC波形を生成し、AC波形情報として出力し、
前記スイッチング制御部は、前記AC波形情報に応じて周期およびデューティ比が変化する駆動パルスを生成し、前記力率改善部が有する1または複数のスイッチ素子を駆動することによって、前記力率改善部の直流出力を所定の直流出力に維持するとともに、前記力率の改善を行うことを特徴とするスイッチング電源。 - 前記AC波形生成部は、
前記正極検出電圧と前記負極検出電圧との大小を比較し、
前記比較した結果に基づいて前記交流電圧の正の半周期と負の半周期を確定し、
前記確定に基づいて、前記正極検出電圧と前記負極検出電圧とから電圧波形を生成し、
前記電圧波形に基づいて生成したAC波形を前記AC波形情報として出力することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源。 - 前記正極検出電圧と前記負極検出電圧との大小を比較した結果、
前記正極検出電圧が前記負極検出電圧より大きい場合には、
前記交流電圧の周期が正または負の半周期の一方の半周期と確定され、
前記一方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた波形に対応する第1電圧波形が生成され、
前記負極検出電圧が前記正極検出電圧より大きい場合には、
前記交流電圧の周期が正または負の半周期の他方の半周期と確定され、
前記他方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた波形に対応する第2電圧波形が生成され、
これら第1電圧波形および第2電圧波形に基づいて前記電圧波形が生成されることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源。 - 前記正極検出電圧と前記負極検出電圧との大小を比較した結果、
前記正極検出電圧が前記負極検出電圧より大きい場合には、前記交流電圧の周期が正または負の半周期の一方の半周期と確定され、前記一方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた波形に対応する第1電圧波形が生成され、または、前記一方の半周期における前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧から、前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧を減じた波形に対応する極性反転第1電圧波形が生成され、
前記負極検出電圧が前記正極検出電圧より大きい場合には、前記交流電圧の周期が正または負の半周期の他方の半周期と確定され、前記他方の半周期における前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧から、前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧を減じた波形に対応する極性反転第2電圧波形が生成され、または、前記他方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた波形に対応する第2電圧波形が生成され、
前記極性反転第1電圧波形および前記第2電圧波形に基づいて、または前記第1電圧波形および前記極性反転第2電圧波形に基づいて前記電圧波形が生成されることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源。 - 交流電源に接続される入力部と、
前記入力部に入力された交流電圧を整流し、負荷に直流出力を出力するとともに、力率の改善を行う力率改善部と、
前記入力部の正極電圧に対応した正極検出電圧、および前記入力部の負極電圧に対応した負極検出電圧を出力する入力電圧検出部と、
前記正極検出電圧および前記負極検出電圧に基づいて前記力率改善部の動作を制御するスイッチング制御部とを備えたスイッチング電源のAC波形生成方法であって、
該AC波形生成方法は、
前記正極検出電圧と前記負極検出電圧とを取得する入力部電圧取得ステップと、
前記入力部電圧取得ステップにおいて取得した前記正極検出電圧および前記負極検出電圧を減算処理して前記正極検出電圧および前記負極検出電圧が有する直流オフセット電圧を除去して、前記交流電圧における正の半周期または負の半周期のいずれかに確定する周期確定ステップと、
前記正の半周期および前記負の半周期のそれぞれに応じて予め設定された演算式を用いて、前記正極検出電圧と前記負極検出電圧とから、前記正の半周期および前記負のそれぞれの電圧波形を導出する電圧波形演算ステップと、
前記正負半周期毎に導出された前記それぞれの電圧波形を合成して、前記交流電圧と周波数および位相が同期したAC波形として確定する、AC波形確定ステップと、
を有することを特徴とするスイッチング電源におけるAC波形生成方法。 - 前記周期確定ステップにおいて、
前記正極検出電圧が前記負極検出電圧より大きいと判定された場合には、前記交流電圧の周期を、前記正の半周期および前記負の半周期の一方の半周期と確定し、
一方、前記負極検出電圧が前記正極検出電圧より大きいと判定された場合には、前記交流電圧の周期を、前記正の半周期および前記負の半周期の他方の半周期と確定し、
前記一方の半周期と確定された場合には、前記一方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた値に対応する第1電圧波形を生成し、
前記他方の半周期と確定された場合には、前記他方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた値に対応する第2電圧波形を生成し、
前記AC波形確定ステップにおいて、これら第1電圧波形および第2電圧波形に基づいて前記AC波形を確定することを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源におけるAC波形生成方法。 - 前記周期確定ステップにおいて、
前記正極検出電圧が前記負極検出電圧より大きいと判定された場合には、前記交流電圧の周期を、前記正の半周期および前記負の半周期の一方の半周期と確定し、
一方、前記負極検出電圧が前記正極検出電圧より大きいと判定された場合には、前記交流電圧の周期を、前記正の半周期および前記負の半周期の他方の半周期と確定し、
前記一方の半周期と確定された場合には、前記一方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧を加えた電圧に所定の第2の係数を乗じた値に対応する第1電圧波形を生成し、または、前記一方の半周期における前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧から、前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧を減じた値に対応する極性反転第1電圧波形を生成し、
前記他方の半周期と確定された場合には、前記他方の半周期における前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧から、前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧を減じた値に対応する第2電圧波形を生成し、または、前記他方の半周期における前記負極検出電圧に所定の第2の係数を乗じた電圧から、前記正極検出電圧に所定の第1の係数を乗じた電圧を減じた値に対応する極性反転第2電圧波形を生成し、
前記AC波形確定ステップにおいて、前記極性反転第1電圧波形および前記第2電圧波形に基づいて、または前記第1電圧波形および前記極性反転第2電圧波形に基づいて、前記AC波形を確定することを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源におけるAC波形生成方法。
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